一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器

摘要

一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器，主要包括耦合电抗器(a)、真空开关支路(b)和转移支路。耦合电抗器一、二次绕组(L1、L2)分别串联于主支路和真空开关支路，转移支路包括IGBT、缓冲电路(R0C0D0)、阻容元件、二极管桥式电路和氧化锌避雷器，IGBT与缓冲电路并联构成电力电子单元，阻容元件与电力电子单元串联，二极管桥式电路主要用于分断双向故障电流，氧化锌避雷器用于吸收电力电子单元分断后的能量。耦合电抗器一、二次绕组取值范围分别在250～300μH、50～100μH，耦合系数范围在0.95～0.98，阻容参数R、C取值范围分别在0.1～0.25Ω、20～50μF。主控制器通过检测各支路电流、电压等电气参量和开关状态、环境温度等状态信息实现对整机的智能控制。该结构耦合电抗器可以加速真空开关与转移支路之间的电流转移过程，阻容元件用于限制电力电子单元电流峰值以便降低所选IGBT的额定电流值，进而降低成本，同时该发明可缩短避雷器耗能时间，可大幅缩短整机关断时间。

说明书

技术领域：

本发明属于中压直流断路器技术领域，具体涉及一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器。

背景技术：

直流断路器作为城市轨道交通供电系统控制和保护的重要设备，保障城市轨道交通供电系统安全可靠运行，目前直流牵引供电系统短路电流可达数十千安，电流上升率快，高性能快速分断直流断路器是该领域的研究热点。

目前国内外对混合式直流断路器的已开展较多研究，2014年Alstom公式研制了一台120kV/7.5kA的混合式直流断路器；2015年国家智能电网研究院研制出200kV/12kA混合式直流断路器样机；2016年南瑞继保研发了500kV/25kA大容量混合式直流断路器；2006年瑞典Jean-Marc Meyer等人设计出快速开关与IGCT结合4kV/1.5kA混合式直流断路器；2017年北京航空航天大学研究出270V混合式直流断路器样机，2018年上海电气集团提出了400V/450A混合式直流断路器方案。轨道交通直流短路故障电流可达100kA，电流上升率可达10kA/ms以上，传统空气直流断路器存在开断时间长、电气寿命短等问题，常规混合式直流断路器成本较高、且大电流开断过程中自然换流转移过程慢、避雷器耗能时间长等问题。本发明提出基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器不仅能够限制故障电流上升率、提高电流转移可靠性，还可以降低避雷器吸收系统残余能量、缩短避雷器清除故障电流的时间。

发明内容:

针对上述问题，本发明提出一种基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器，主要包括耦合电抗器(a)、真空开关支路(b)和转移支路。耦合电抗器一、二次绕组(L

进一步，耦合电抗器一、二次绕组分别串联于主支路和真空开关支路，正常运行时，电流流过耦合电抗器和真空开关，耦合电抗器一、二次绕组取值范围分别在250～300μH、50～100μH，耦合系数范围在0.95～0.98，耦合电感能够抑制故障电流上升率并加速电流由真空开关支路转移至转移支路。

进一步，转移支路采用桥式整流电路，以电流由左向右流向为正，以电流由右向左为负，桥式电路由二极管D

进一步，缓冲支路R

智能控制系统采用电流传感器、电压传感器、温度传感器、位移传感器等对状态信息进行检测并进行各个单元的配合控制，当系统发生故障时，首先由主控制回路检测到系统发生故障，然后主控制回路给真空开关发出分闸信号，同时给IGBT发出导通信号，待故障电流由真空开关完全转移至转移支路，由主控制器计算电流转移时间并由检测系统检测真空开关电流是否过零，真空开关电流过零后，由主控制器计算并判断真空开关是否能够承受电力电子器件关断后产生的过电压而不会发生击穿导致重燃，当真空开关达到一定绝缘要求时，由主控制回路给电力电子器件发出关闭信号，最后由耗能支路吸收系统残余的能量，整机完成分断。

本发明所提出一种基于耦合电抗器的阻容型混合式直流断路器拓扑结构，采用耦合电抗器一、二次绕组分别串联于主回路和真空开关支路，阻容元件串联于转移支路，转移支路采用二极管桥式整流电路，该结构的主要优势在于：①在系统发生故障时，耦合电抗器能够有效抑制故障电流上升，并且能够加速电流转移，提高了电流转移的可靠性；②同样条件下可实现对故障电流的双向关断并且可以减少电力电子器件数量，降低了使用成本；③电流完全转移至转移支路后，阻容元件能够限制电力电子器件电流峰值，并能够吸收系统中的能量，降低避雷器在短时间内耗散系统能量，缩短了避雷器清除故障电流的时间，延长了避雷器使用寿命；④本发明拓扑结具有结构简单、控制方便、适用开断上升率高的故障电流等优点。

附图说明

图1是本发明的基于耦合电抗器的阻容型混合直流断路器总体结构示意图

图2是本发明的直流断路器正、负向分断过程示意图

图3是本发明短路故障分断过程工作原理图

图4是本发明智能控制系统分断故障电流流程图

图5是传统混合式直流断路器(DCCB)和本发明分断波形对比图

具体实施方式

下面将结合本发明实施中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的总体结构如图1所示，该拓扑结构包括耦合电抗器(a)、真空开关(b)和转移支路。耦合电抗器一、二次绕组(L

所述的一种基于耦合电抗器的阻容型混合式直流断路器拓扑结构可以实现对故障电流的双向分断，其中正、负向分断分别如图2(a)、(b)所示，下面以正向分断故障电流为例，具体分析故障电流的分断过程。

阶段Ⅰ：如图3(Ⅰ)系统正种常流通阶段，此过程系统电流经过耦合电抗器和真空开关，直流情况下，耦合电抗器在系统中不起作用，通态损耗小。

阶段Ⅱ：如图3(Ⅱ)系统发生故障后，故障电流迅速上升，检测系统检测系统发生故障，经过主控制器系统识别故障并向真空开关发出分闸信号，同时触发电力电子器件导通，此过程由于电流快速上升，耦合电抗器能够抑制故障电流。阶段Ⅲ：如图3(Ⅲ)电流由真空开关转移至电力电子开断单元，电力电子开关导通后，故障电流由真空开关转移至转移支路，此过程耦合电抗器一、二次绕组和耦合系数对电流转移速度有很大影响，由耦合原理分析可知耦合电抗器一二次绕组电感量比值越大，耦合系数越高，则转移时间越短，由仿真结果知耦合电抗器一次绕组的取值范围在250～300μH，二次绕组的取值范围在50～100μH，耦合系数取值范围在0.95～0.98，能够将电流转移时间由1.5ms缩短至0.5ms,转移电流峰值由7.5kA降低至4kA。提高了换流可靠性。

阶段Ⅳ：如图3(Ⅳ)故障电流完全转移至转移支路，阻容元件开始起限流作用，由于电阻是耗能元件，电阻除了有一定的限流能力外，还能吸收系统中电感所储存的能量，有效降低了避雷器在短时间内耗散系统中的能量，缩短避雷器清除故障电流的时间，最后电容储存的能量经过电阻释放，其中电阻R参数取值范围在0.1～0.25Ω、电容C参数取值范围在20～50μF，按照以上参数设计，电力电子关断故障电流峰值降低了48.1％，整机关断时间从5.3ms缩短至3.3ms。缓冲电路R

阶段Ⅴ：如图3(Ⅴ)电流由电力电子开断单元转移至耗能支路，IGBT关断瞬间电流变化率很大，引起过电压使氧化锌避雷器导通，故障电流迅速转移至耗能支路。

阶段Ⅵ：如图3(Ⅵ)避雷器耗能阶段，电力电子器件分断后，故障电流全部转移至耗能支路，故障电流快速下降，当系统电流小于氧化锌避雷器最小导通电流时，避雷器呈现高阻态，系统电流降至零，完成开断。同时在此阶段由于电容C在上阶段储存了一部分能量，最后通过电阻R耗散，此过程不影响避雷器清除故障电流。

智能控制部分如图4所示，首先检测系统能够实时检测各支路电流和电压等电气量和开关状态、环境温度等状态信息，当系统超出设定值时，则判断系统发生故障，由主控制系统向真空开关发出分闸信号，同时触发IGBT导通，然后根据耦合电抗器原理计算电流转移时间，在故障电流由真空开关支路完全转移至转移支路后，由主控制器计算和判断真空开关是否能够承受电力电子器件关断后产生的过电压而不会发生击穿导致重燃，当真空开关达到一定绝缘要求时，由主控制回路给电力电子器件发出关闭信号，最后由耗能支路吸收系统残余的能量，分断过程结束。

传统混合式直流断路器(DCCB)开断波形图如图5(a)所示，本发明一种基于耦合电抗器的阻容型混合式直流断路器(MDCB)开断波形图如图5(b)所示，可以看出本发明一种基于耦合电抗器的阻容型混合式直流断路器拓扑结构具有抑制故障电流、实现故障电流快速转移、降低电力电子器件关断电流峰值、缩短了整机关断时间。

如上所述，本发明一种基于耦合电抗器的阻容型混合式直流断路器，耦合电抗器不仅能抑制故障电流，还可以加速故障电流从真空开关转移至电力电子开断单元，提高了电流转移可靠性，阻容元件一方面能够抑制故障电流峰值，其次能吸收系统电感所储存的能量，缩短避雷器清除故障电流的时间，本发明所提出的直流断路器的结构比较简单，控制方便，为中压领域直流断路器的开断研究提供了一种新方案。

上述的实施方案和参数范围选择仅仅是本发明的较佳方式，但本发明的使用范围不限于此，以此结构为基础的等同变换，皆应涵盖在本发明保护范围之内。